بخشی از مقاله
خلاصه
مدلCCHE2D-DAMBREAKیک مدل دوبعدی میباشد که توسط موسسه NCCHE توسعه یافته است و قادر است اطلاعات مکانی و زمانی را در محدوده وقوع سیل مدل کند. مدل دوبعدی CCHE2D-DAMBREAK مدلی توانمند در تحلیل پدیده شکست سد میباشد. در جائی که اطلاعات و زمان محدود میباشد ، این مدل به سرعت نتایج مکانی مربوط به عمق سیلاب ناشی از شکست سد و همچنین سرعت حرکت موج سیل و مدت زمان پیمایش سیل در پائیندست سد را محاسبه و نمایش میدهد.
این مدل برای مقاصد نظامی نیز میتواند به کار گرفته شود تا در مواقع ضروری بتوان پیامدها ، عواقب و پهنه سیلاب ناشی از شکست سد را در هنگام تهاجم نظامی پیشبینی و مدیریتی مناسب با شرایط شکست سد در پائیندست سد اعمال نمود.این مدل توانائی بالائی در برآورد زمان ورود اولین موج سیل ، تراز آب حداکثر- دامنه منطقه سیلگیر ، زمان ورود دبی حداکثر ، عمق و سرعت آب به منظور برآورد پتانسیل خرابی و همچنین مدت تداوم سیل دارد.
مقدمه
پتانسیل تخریب فاجعه آمیز یک سد و جریان سیلابی پایین دست حاصل از این تخریب یکی از بزرگترین موانع ایجاد آمادگی عمومی در مقابل حملههای تروریستی و طرحهای نظامی است. به منظور برقراری آمادگی کامل در مواجهه با اینگونه وقایع باید کلیه جزییات تغییرات مکانی و زمانی وقوع سیلها را مدلسازی نماییم.جهت تخمین صحیح اطلاعاتی نظیر ارتفاع پتانسیل سیل، سرعتهای جریان ، زمان ورود و خروج هیدروگراف سیل از نکات کلیدی محسوب میشوند - . - 1 در دهههای اخیر، برای مدلسازی سیل ناشی از شکست سد ، مدلهای یک بعدی مورد استفاده قرار میگرفتند.
اما این مدلها در مورد سیلهایی با ابعاد گسترده از نظر ثبت سرعت و عمق جریان و کلیه پارامترهای وابسته نامناسب بودند. مدل-CCHE2D DAMBREAK یک مدل دوبعدی میباشد که قادر است همه داده های مکانی و زمانی را در محدوده وقوع سیل مدل کند.در مواقع نادری که تخریب سد اتفاق می افتد معمولا کارهای کمی برای کاهش حجم عظیم سیلاب پایین دست میتوان انجام داد. حجم آب مخصوصا جایی که سد بزرگتری وجو دارد بسیار حائز اهمیت است ، زیرا در این شرایط سیل موجود باعث میشود که سازههای کنترلی پاییندست به صورت مستغرق عمل کنند.
سیلاب موجود به همراه سرعت بالای جریان باعث تخریب سازهای و فرسایش آنها میشود. یک مدلی که بتواند بهطور صحیح عمق سیل و سرعت جریان را با دادههای مکانی دوبعدی پیشبینی نماید و همچنین بتواند جزئیات زمانی دقیق این اطلاعات را نیز فراهم آورد، ابزای حیاتی در تحلیل تخریبهای ناشی از شکست سد خواهد بود. انجمن مهندسین تحقیق و توسعه - R & D - ارتش آمریکا در میسیسیپی ماموریت عملیات هیدرولوژیکی در این منطقه را به عهده دارند.
هیدرولوژی نظامی جنبههای گوناگونی از مسائل مهندسی هیدرولیک و هیدرولوژی مرتبط با رودخانهها، سیلها، سدها و دیگر منابع آب که ممکن است بر روی عملیات نظامی تاثیر بگذارد را دربر میگیرد. در این بین تحلیل و بررسی پتانسیل موثر سیل ناشی از شکست سد از مهمترین مسائل محسوب میگردد. برای اینکه نتایج حاصل از این مطالعات مفید واقع شود به اطلاعاتی نظیر تغییرات زمانی و مکانی عمق سیل، سرعت جریان، زمان ورود سیل و مدت وقوع سیل نیاز میباشد. مدلهای یکبعدی سیل نیز قادر به تولید چنین اطلاعاتی هستند اما همواره فقدان جزییات دقیق دوبعدی مکانی در بسیاری از مواقع بحرانی احساس میشود.
این مدل همچنین میتواند جریان آب رهاشده از سد را در زمان تخریب آن شبیه سازی نماید. در این حالت کاربر محل و مسیر جاری شدن آب و نرخ آن را مشخص مینماید تا مدل نیز بتواند نتایج حاصل از جریان آب پاییندست را نمایش دهد - . - 2 این مورد در مدلسازی دو بعدی جریان آب پایین دست و دبی عبوری از سرریزها بسیار مفید است. مرکز ملی محاسبات و مهندسی علوم آب - NCCHE - در دانشگاه میسیسیپی یک مدل دوبعدی را که در مطالعات هیدرولوژی نظامی توانائی بالائی دارد توسعه داده است . استفاده از این مدل بسیار آسان بوده و به دادههای کمی نیاز دارد. این مدل قادر است بر روی کامپیوترهای شخصی اجرا شود و در عین قدرتمندی میتواند شرایط پیچیده جریان در سیلاب ناشی از شکست سد را شبیهسازی نماید.
روابط و معادلات حاکم
مبنای مدل CCHE2D-DAMBREAK معادلات دوبعدی میباشد و در آن از روش عددی حجم محدود - - Finite Volume جهت حل معادلات حرکت و انرژی استفاده شده است. اعتبار این مدل با استفاده از دادههای آزمایشگاهی و تحلیلی گوناگون به اثبات رسیده است . - Ying,Wang and Khan 2003 - این مدل از یک شبکه مستطیلی و مثلثی برای نمایش توپوگرافی بستر و محدوده رودخانه استفاده میکند، بنابراین قادر است از دادههای GISای مانند مدلهای ارتفاعی رقومی - DEM - و یا داده های ارتفاعی عوارض زمین - DTED - استفاده کند - . - 3
دادههای مورد نیاز مدلسازی
دادههای اولیه مورد نیاز برای اجرای این مدل عبارتنداز: دادههای شبکهبندی شده عوارض زمین، مختصات محل سد،ارتفاع اولیه سطح آب مخزن در زمان شکست سد، ضریب زبری مانینگ بستر رودخانه در محدوده سد، دامنه و محدوده موردنظر جهت انجام محاسبات و پارامترهای کنترل مدل مانند زمان کل شبیهسازی و اختلاف زمانی فایلهای خروجی. دادههای شبکهبندی شده عوارض زمین در فرمت ARC ASCII است که میتوان به راحتی با استفاده از نرمافزار GIS آنرا تولید کرد. لزومی ندارد که یک شبکه و یا یک مش خاص جهت تحلیل این فرآیند ایجاد شود. با وارد کردن دادههای عوارض مکانی محل قرارگیری سد نیز مشخص و تعریف میشود.همچنین مواردی که به عنوان ورودی باید تخمین زده شوند عبارتنداز:تخمین شیب بستر اصلی رودخانه در محدوده سد و شیب زمینهای اطراف مخزن سد -
خروجی های مدل
از اساسیترین خروجیهای این مدل عمق جریان و سرعت جریان موج سیل در پائیندست سد و در طول رودخانه میباشد.این خروجیها هم میتواند در فرمت Arc ASCII که در نرم افزار GIS قابل اجراست و هم در فرمت قابل اجرا در نرم افزار TECPLOT باشد . فایلهای خروجی شامل: عمق جریان ، عمق آب تخمینی در هر سلول از شبکه محاسباتی و فایلهای سرعت جریان میزان سرعت تخمینی در هر سلول از شبکه محاسباتی را بر حسب متر بر ثانیه مشخص میکند. همچنین فایل دیگری نیز تولید میشود که شامل ماکزیمم عمق آب ، زمان تداوم سیل ، ماکزیمم دبی در واحد عرض و زمان رسیدن موج سیل در هر سلول میباشد. اگر زمان پایه هیدروگراف در مسیر مشخصی از پایین دست سد مطلوب باشد، یک فایل خروجی شامل اطلاعات هیدروگراف در محدوده محاسباتی نیز قابل تولید است.
حوضه مورد مطالعه
منطقه مورد مطالعه مربوط به رودخانه نسارود میباشد که مجموعهای به هم پیوسته از سرشاخههای دائمی , فصلی و مسیلهایی است و در منطقه تلار به یکدیگر میپیوندند و پس از آن با ظرفیت کامل فاصله 4,5 کیلومتری را تا رسیدن به دریای خزر در 10 کیلومتری شرق رامسر طی میکنند. این رودخانه در طول جغرافیایی 50 درجه و 35 دقیقه تا 50 درجه و 44 دقیقه شرقی و عرض جغرافیایی 36 درجه و 50 دقیقه تا 36 درجه و 51 دقیقه شمالی در سلسله جبال البرز واقع گردیده است.
جهت شبیهسازی شکست ناشی از سد از سد مخزنی میجران که در این رودخانه قرار دارد استفاده گردیده که مشخصات فیزیکی این سد به شرح زیر میباشد: این سد از نوع سنگریزه ای با هسته بتنی آسفالتی و دارای حداکثر ارتفاع 54,5 متر از بستر رودخانه بوده که طول دریاچه آن 1,8 کیلومتر ومساحت آن نیز 45,6 هکتار می باشد. گنجایش مفید مخزن 7,65 میلیون متر مکعب وآب قابل تنظیم سالیانه آن 18,8 میلیون متر مکعب است. هدف از احداث سد میجران تأمین آب شرب شهرهای رامسر، کتالم، ساداتمحله تا سال 1400 ، تأمین آب مورد نیاز جهت توسعه 750 هکتار اراضی چای، بهبود 270 هکتار اراضی شالیکاری در پاییندست و ترویج گردشگری میباشد.
روش حل
با توجه به کمبود ایستگاههای آبسنجی - هیدرومتری - در محدوده رودخانه نسارود با استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیائی - - GIS و مطالعات هیدرولوژی مقادیر دبی با دوره بازگشتهای مختلف برآورد گردید. این مقادیر فقط شامل دبیهای حداکثر و با دوره بازگشتهای تا 1000 سال میباشد. اما از آنجائی که یکی از پارامترهای مهم ورودی مدل CCHE2D-DAMBREAK هیدروگراف سیلاب میباشد، لذا با استفاده از روابط موجود جهت استخراج هیدروگرافهای مصنوعی از جمله روابط ارائه شده توسط SCS هیدروگرافهای با دوره بازگشتهای مختلف استخراج و در مدل مورد استفاده قرار گرفت.
در این مطالعه جهت بررسی شکست سد در حالت روگذری از سیلاب با دوره بازگشت 1000 ساله به عنوان سیلاب PMF استفاده گردید - با توجه به حجم و ابعاد سد مخزنی میجران - . یکی دیگر از پارامترهای مهم در مدلسازی تخمین حداکثر دبی خروجی در اثر شکست سد میباشد. روابط زیادی برای تخمین این پارامتر ارائه شدهاند. در این تحقیق از رابطه ارائه شده توسط شمسائی - - 1383 جهت تخمین حداکثر دبی خروجی استفاده گردید.
